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Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATE

Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATEURS 1 | Classe : 5 GELE Sommaire INTRODUCTION GENERALE ..................................................................................................................... 3 I-CLASSIFICATION DES DEFAUTS POUVANT ATTEINDRE UN TRANSFORMATEUR.................................. 4 I-1-LES INCIDENTS RESEAUX ................................................................................................................ 4 1)- Les courts-circuits ...................................................................................................................... 4 2)- Les surcharges ............................................................................................................................ 4 3)- Les surtensions ........................................................................................................................... 5 I-2-LES DEFAUTS A L’INTERIEUR DES TRANSFORMATEURS ................................................................ 7 1)- Les défauts entre spires ............................................................................................................. 7 2)- Les défauts entre enroulements (cas des transformateurs MT/BT) .......................................... 8 3)- Les défauts à la masse et influences du régime de neutre ........................................................ 9 I-3-LES DEFAUTS LIES A LA TECHNOLOGIE ........................................................................................ 10 1)- Cas des transformateurs immergés ........................................................................................ 10 2)- Cas des transformateurs à isolation solide ............................................................................. 10 3)- Les défauts à l’extérieur de la cuve .......................................................................................... 10 II- SOLUTIONS PROPOSEES PAR DEFAUTS ............................................................................................. 12 II-1- LES PROTECTIONS EXTERNES ..................................................................................................... 12 1)- Protections contre les surtensions à fréquence élevée ........................................................... 12 2)- Protections contre les surtensions au point neutre ................................................................ 12 3)- Protection contre les surcharges et les courts-circuits ............................................................ 12 4)- Protection du transformateur par courant de coupure........................................................... 13 II-2-PROTECTIONS INTERNES ............................................................................................................. 14 1)- Protection différentielle de courant du transformateur ......................................................... 15 2)- Relais de Buchholz.................................................................................................................... 16 II-3- PROTECTION MASSE-CUVE ........................................................................................................ 17 III- APPAREILS DE PROTECTION : ETUDES ET DIMENSIONNEMENT ...................................................... 18 III-1-ECLATEURS ET PARAFOUDRES ................................................................................................... 18 III-2-fusibles et interrupteurs-fusibles ............................................................................................... 20 III-3-DISJONCTEURS ET ORGANE DE DECLENCHEMENT ASSOCIES ................................................... 21 1)- Fonctionnement ....................................................................................................................... 21 2)- Caractéristiques d’un disjoncteur ............................................................................................ 22 3)- Sélectivité d’un disjoncteur ...................................................................................................... 22 III-4-RELAIS DE BUCHHOLZ ................................................................................................................ 23 Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATEURS 2 | Classe : 5 GELE III-5-ENTRETIEN PERIODIQUE DU TRANSFORMATEUR ..................................................................... 25 IV-INTRODUCTION A LA PROTECTION NUMERIQUE DES TRANSFORMATEURS ................................... 26 V- ETUDE DE CAS : CAS DES TRANSFORMATEURS DE LA CENTRALE THERMIQUE D’OYOMABANG ..... 28 V-1-PRESENTATION DU POSTE D’OYOMABANG ............................................................................... 28 V-2-ELEMENTS UTILISES POUR LA PROTECTION DES TRANSFORMATEURS ..................................... 28 a) Les courts-circuits internes .................................................................................................... 29 b) La surcharge .......................................................................................................................... 29 CONCLUSION GENERALE ....................................................................................................................... 32 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ......................................................................................................... 34 Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATEURS 3 | Classe : 5 GELE INTRODUCTION GENERALE Les transformateurs sont utilisés dans les réseaux électriques pour plusieurs raisons à savoir : Minimiser les pertes d’énergie par effet joule, Minimiser les chutes de tension, Eventuellement assurer une isolation galvanique entre les réseaux de même tension. Très importants dans un réseau électrique, ils se trouvent soumis à de nombreuses contraintes électriques externes en provenance de l’amont et de l’aval. Les conséquences d’une défaillance éventuelle peuvent être très lourdes en termes de dégâts ainsi qu’en termes de pertes d’exploitation. Le terme de « protection transformateur » est très souvent associé à l’action de déconnexion du réseau, alors même que le transformateur est déjà défaillant, et l'amalgame est fait entre des mesures préventives (surtensions, défaut aval, surcharges, température) et des mesures curatives d'élimination du transformateur en défaut. Les solutions retenues sont toujours un compromis entre ces différents critères et il est important que les avantages et les faiblesses du compromis retenu soient bien identifiés. Par exemple, un même exploitant, distributeur d'énergie, peut retenir des solutions très différentes sur les parties du réseau, urbaines et rurales, car les critères de puissance unitaire, de coût, de conséquences en cas d'incident, ne sont pas les mêmes. La grande fiabilité des transformateurs est un élément déterminant dans les choix réalisés par les distributeurs, face au coût unitaire des organes de protection qui peuvent être associés. Elle justifie par exemple que l'on ne cherche pas à protéger le transformateur, en tant que sauvegarde du matériel, mais qu'on se contente de limiter les conséquences d'une défaillance. Il nous revient donc d’identifier premièrement les défauts pouvant nuire au fonctionnement des transformateurs afin d’en dégager les solutions possibles et le matériel utilisée. L’accent sera quelquefois mis sur les transformateurs MT/BT qui sont plus proches des populations, les rendant ainsi directement vulnérables à tous défauts pouvant naître sur ces transformateurs. Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATEURS 4 I-CLASSIFICATION DES DEFAUTS POUVANT ATTEINDRE UN TRANSFORMATEUR | Classe : 5 GELE I-CLASSIFICATION DES DEFAUTS POUVANT ATTEINDRE UN TRANSFORMATEUR Les différents défauts rencontrés pendant le fonctionnement des transformateurs sont : I-1-LES INCIDENTS RESEAUX 1)- Les courts-circuits En cas de défaut en aval du transformateur, l’impédance des circuits basses tension prend très rapidement une importance prépondérante dans les calculs de court-circuit, et seuls les défauts localisés à proximité immédiate du transformateur représentent une contrainte significative pour celui-ci. Pour le transformateur, le défaut côté basse tension proche des bornes se traduit par des contraintes thermiques, fonction de la valeur et de la durée du défaut, et des contraintes mécaniques, par effet électrodynamique surtout à l’apparition du défaut. Les transformateurs sont généralement conçus pour pouvoir supporter le court-circuit aux bornes, ce qui correspond à une situation plus sévère que toutes les situations envisageables en exploitation. Toutefois, la répétition des défauts peut avoir un effet cumulatif, sur le déplacement des bobinages par exemple, et participer à un vieillissement prématuré. Dans tous les cas, la durée du défaut doit être limitée par une protection sous peine de conduire à des dégats par effet thermique. 2)- Les surcharges Les échauffements admissibles dans les différentes parties du transformateur, en tenant compte des valeurs limites d’échauffement fournies par les normes, basées sur une durée de vie escomptée liée au vieillissement des isolants, caractérisent un fonctionnement permanent. Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATEURS 5 I-CLASSIFICATION DES DEFAUTS POUVANT ATTEINDRE UN TRANSFORMATEUR | Classe : 5 GELE Figure 1: ordre de grandeur de la capacité de surcharge d’un transformateur immergé Un courant de valeur supérieure à la valeur assignée correspond à une situation de surcharge. Une situation de surcharge maintenue, entraîne un dépassement des échauffements sur certains points du transformateur et, dans le cas d’une température ambiante élevée, un dépassement des températures admissibles. Toutefois, dans les conditions anormales ou exceptionnelle, il est admis de passer outre aux limitations, éventuellement au détriment de la durée de vie. La surcharge est souvent transitoire et l’équilibre thermique n’est pas atteint ; l’inertie thermique du transformateur, importante pour les transformateurs de types « immergés », permet de supporter des valeurs élevées, suivant une loi à temps inverse (figure précédente). Une surcharge de courant , (norme). En distribution publique, la surcharge n’entraine pas généralement la déconnexion du transformateur, la priorité étant donnée à la continuité du service à court terme. Par ailleurs, les circuits basse tension sont toujours surdimensionnés et la surcharge du transformateur ne correspond pas toujours à une surcharge des conducteurs BT. Dans une installation industrielle, une situation de surcharge peut être de courte durée, liée par exemple à une phase de démarrage de machines, ou susceptible de se prolonger dans le cas d’un mauvais foisonnement de charge. 3)- Les surtensions Les transformateurs de distribution sont soumis à des surtensions transitoires en provenance des réseaux auxquels ils sont connectés. Ces surtensions proviennent soit des chocs de foudre direct ou induits sur les réseaux MT ou BT, soit de la transmission par le niveau MT de surtensions de manœuvre générées sur le réseau amont. Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATEURS 6 I-CLASSIFICATION DES DEFAUTS POUVANT ATTEINDRE UN TRANSFORMATEUR | Classe : 5 GELE Lors de la mise hors tension par un appareillage situé immédiatement en amont, des surtensions peuvent être générées par l’ensemble transformateur-appareillage de coupure- circuit d’alimentation, entrainant une sollicitation du diélectrique du transformateur. Cette sollicitation se traduit par un vieillissement prématuré, ou par un défaut d’isolement entre les spires, ou à la masse. Les critères de sévérité des surtensions vis-à-vis des transformateurs sont la valeur crête, mais également la vitesse de variation de la tension qui amène une répartition inégale de contraintes dans les enroulements et aboutit ainsi à dépasser la tenue entre spires même si la valeur crête aux bornes de l’enroulement primaire ne dépasse pas la valeur admise. Figure 5 : capacités réparties et contraintes le long d’un enroulement. RISQUES D’EXPOSITION Les risques d’exposition aux surtensions d’un transformateur donné sont liés à son environnement avec des critères tels que : L’alimentation MT par réseaux aériens ou souterrains, La présence éventuelle, le dimensionnement et les conditions d’installation de limiteurs de surtensions (parafoudre ou éclateurs), Le type d’appareillage et les conditions de manœuvre, La qualité des prises de terre et de la conception du réseau de masse au niveau du poste. DEFAILLANCES D’ISOLEMENT Les défaillances internes entraînées par les surtensions se présentent sous ces formes : Les défauts d’isolement entre spires d’un même enroulement (cas le plus fréquent), Les défauts entre enroulements, Cours de protection des installations électriques : PROTECTION DES TRANSFORMATEURS 7 I-CLASSIFICATION DES DEFAUTS POUVANT ATTEINDRE UN TRANSFORMATEUR | Classe : 5 GELE Les défauts d’isolement entre l’enroulement sollicité et une partie conductrice proche (noyau ou cuve). Notons que les transformateurs secs peuvent donner lieu à des défaillances diélectriques externes en cas de pollution des surfaces isolantes. I-2-LES DEFAUTS A L’INTERIEUR DES TRANSFORMATEURS On rencontre : 1)- Les défauts entre spires Les défauts uploads/Ingenierie_Lourd/ expo-see 1 .pdf